近20年辽宁省地表水总氮和总磷浓度时空变化及原因分析_武暕.pdf

摘要：氮、磷是辽宁省地表水主要污染物之一，2016 年以来，随着河流水质的明显改善，氮、磷污染问题越来越突出。利用20012020 年国控断面监测数据开展辽宁省主要河流总氮、总磷浓度时空变化及原因分析，并利用环境库兹涅茨曲线模型来描述经济增长与总磷浓度之间的关系，以期为辽河流域治理提供科学依据。结果表明：经过 20 年的治理，总氮污染问题仍十分严峻，总磷污染得到明显改善，截至 2020 年，总氮评价均为劣类水质，总磷已总体符合类水质标准；通过加大对环境的治理力度，总磷排放量随着人均 GDP 的增加而持续下降，呈现出显著负相关。关键词：河流；氮；磷；时空变化Abstract：Nitrogen and phosphorus were the main pollutants in surface water of Liaoning Province.Since 2016，withthe obviously improvement of river water quality，the problem of N and P pollutions had become more and moreprominent.In this study，analysis of spatial-temporal variations and causes of total nitrogen（TN）and total phosphorus（TP）concentrations in surface water of Liaoning Province from 2001 to 2020 were collected from national monitoringsites.The Environmental Kuznets curve（EKC）model was used to describe the relationship between economic growthand TP concentrations，scientific basis were provided for Liaohe River Basin governance.The results showed that:theTN pollution problem was still very serious through 20 years of treatment，but the TP pollution problem had beensignificantly improved.By 2020，the evaluation of TN was exceeded the class V standard，and the evaluation of TP wasgenerally met the class III standard；TP emissions continued to decline with the increase of per capita GDP bystrengthening environmental governance，showed a significant negative correlation.Key words：river；nitrogen；phosphorus；spatial-temporal variation中图分类号：X522文献标识码：A文章编号：16741021（2023）010077-041引言氮、磷是生产生活中必需的营养元素，随着经济的高速发展，氮、磷的使用量越来越多，导致大量富含氮、磷的污水直排或间接进入地表水，造成水体污染，甚至富营养化1。多年来，氮、磷一直都是辽宁省地表水的首要污染物之一2，尤其是辽河流域内工业城市分布密集，河流流经城市后，接纳了大量工业废水和生活污水，造成城市段污染。河流水质直接影响人民群众的身体健康3-5，对社会、经济持续发展与生态平衡也具有非常重要的意义。近年来，辽宁省着力实施了重污染河流治理攻坚战，以工业污水、农业面源污染和居民生活污水治理为重点，推动重污染河流治理工作，提标改造的 56 座城镇污水处理厂实现稳定达标排放，累计完成 69 座污水处理厂污泥处置设施改造，基本完成 70 条城市建成区黑臭水体整治任务，80 个省级以上工业聚集区全部建成污水处理设施并安装在线监控6。2016 年以来，辽宁省水质明显改善，但氮、磷污染问题越来越突出。尽管关于辽河流域氮、磷污染的研究较多7-9，但缺乏全流域时空尺度的整体评价，因此，本研究利用辽宁省收稿日期：2022-08-16；修订日期：2023-01-10。作者简介：武暕，女，1987 年生，高级工程师，硕士，主要研究方向为海域、入海河流水质监测。*通讯作者：陈杵序，女，1989 年生，工程师，主要研究方向为水源地、水库水质监测，E-mail：。近 20 年辽宁省地表水总氮和总磷浓度时空变化及原因分析武暕陈杵序王朝霞王仁日（辽宁省生态环境监测中心，辽宁沈阳 110161）*77主要河流 20012020 年总氮、总磷监测数据，开展全流域尺度污染评价，以期为辽河流域治理提供科学依据。2材料与方法21研究区概况本研究区域为辽宁省主要河流，包括辽河流域、凌河流域及鸭绿江流域。辽河流域是全国七大流域之一，是国家重点治理的“三河三湖”之一。辽河流经辽宁省内经济较为发达的工业集聚区和都市密集区，该区域内形成了以石化、冶金、装备制造业为核心的产业集群。凌河流域是以大凌河和小凌河为主的渤海诸河水系。辽河流域人均水资源量不足全国的 33.3%，水资源开发利用率却高达 700以上，河道自然径流量少，支流季节性断流比较普遍，水环境承载力低。河水径流量受降水影响，季节性变化较剧烈10。22数据来源本研究数据来源于辽宁省生态环境监测中心，采用 20012020 年 86 个地表水国控监测断面数据，监测频次为月测，评价标准执行 GB 38382002地表水环境质量标准。23数据分析数据经过筛查处理后，采用 Microsoft Office Excel2007，ArcGIS107 和 SPSS210 对数据进行统计处理和分析。利用环境库兹涅茨曲线（EnvironmentalKuznets Curve，EKC）模型来描述经济增长与环境污染水平之间的关系。3结果与讨论31氮、磷浓度的时间分布辽宁省主要河流总氮浓度年际变化趋势见图 1。图 12004 年、20142020 年辽宁省主要河流总氮浓度年际变化趋势由图 1 可知，由于 地表水环境质量评价办法中总氮不参与河流水质评价，因此多年来总氮监测数据非常有限，总体数据的不连续性为辽宁省河流总氮浓度变化趋势分析造成了较大困难。2014 年以前，河流断面总氮数据仅 2004 年相对较全，因此以2004 年、20142020 年数据为基础进行分析得出，经过近 20 年流域治理，辽宁省主要河流干流总氮浓度年度均值虽整体呈下降趋势，但与总磷、氨氮等其他指标的明显改善相比，总氮污染改善效果十分有限，总氮污染防治形势依旧很严峻。2004 年，浑河总氮污染最重，全河段浓度高达109 mg/L，劣于类水质标准，辽河、太子河、大辽河和大凌河、小凌河总氮浓度均劣于类标准，全省仅鸭绿江符合类标准。经过近 10 年的集中治理，2014 年辽河流域总氮污染明显减轻，辽河、浑河、太子河、大辽河总氮浓度有不同程度的下降，以浑河水质改善最为明显，总氮浓度下降至 42 mg/L，降幅为 615，但凌河流域和鸭绿江总氮污染未轻反重。“十三五”期间，辽河流域总氮污染有所反弹，以辽河表现最为明显，水质再次恶化为劣类，大凌河、鸭绿江总氮污染持续加重。截至 2020 年，辽宁省各主要河流干流水质全部为劣类。辽宁省主要河流总磷浓度年际变化趋势见图2。图 220012020 年辽宁省主要河流总磷浓度年际变化趋势由图 2 可知，经过 20 年的治理，辽宁省各主要河流干流总磷浓度年度均值总体呈下降趋势。可以看出，辽宁省辽河流域和凌河流域水体经历了严重恶化、持续逐渐好转、小幅反弹，再到稳定达标的过程。“十五”期间，全省河流总磷污染逐年加重，20040.90.80.70.60.50.40.30.20.10t/年份2001浓度/（mg L-1）辽河浑河太子河大辽河大凌河小凌河鸭绿江2002200320042005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020类标准类标准 78环境保护与循环经济16.014.012.010.08.06.04.02.00.0t/年份20042014201520162017201820192020浓度/（mg L-1）辽河浑河太子河大辽河大凌河小凌河鸭绿江类标准年污染达历史最重，辽河、浑河和大凌河、小凌河均为劣类水质；“十一五”和“十二五”期间，辽河流域和凌河流域治理效果显著，总磷浓度均逐步下降，2013 年全省各主要河流总磷首次全部符合类水质标准；但受 2014 年和 2015 年严重旱情影响，2015年和 2016 年水质略有反弹，以浑河表现最为明显。“十三五”期间，辽宁省加大重污染河流治理工作，截至 2019 年，全省各主要河流水体全部符合类水质标准。32氮、磷浓度的空间分布辽宁省总氮污染形势比较严峻，2004 年，辽河流域全流域干流和多数支流、凌河流域下游河段均为劣类水质，辽宁省中部地区城市群范围内水体以劣类为主，仅鸭绿江水质较好，为类水质。经过近 10 年的流域治理，到 2014 年，总氮污染改善效果却十分有限，从污染空间分布上看变化不明显，仅辽河污染有所减轻，上游铁岭段和下游沈阳盘锦段水质由劣类改善至类，浑太流域和凌河流域下游依然以劣类水质为主。截至 2020 年，辽宁省主要河流总氮浓度年均值虽有所下降，但污染范围呈扩大趋势，全流域基本为劣类水质，总氮污染问题仍十分严重。辽宁省总磷污染主要集中分布在中部地区城市群，辽河流域全流域干、支流污染较严重，凌河流域下游地区污染较重，鸭绿江水质较好。经过近 20 年的流域治理，辽宁省主要河流水质全面改善，辽河流域、凌河流域总磷污染均明显减轻，全流域总磷浓度已总体符合类水质标准，辽河流域仅通江口和亮子河入河口断面、太子河河洪桥断面及大凌河高台子断面总磷浓度为类水质标准。2005 年，由于辽宁省内特别是辽河流域内分布着极为稠密的城市群，并多以重化工业结构为主，全流域总磷污染十分严重，辽河流域流经的中部城市群（8 个城市）以及凌河流域流经的 3 个城市（朝阳、锦州、阜新）辖区内河流均不同程度存在总磷污染问题，仅东、西部上游源头区、太子河干流和鸭绿江水系水质较好。辽河上游和入海口、浑河中下游河段、小凌河入海口均为劣类水质，基本丧失使用功能。2010 年，辽宁省总磷污染范围有所缩减，辽河铁岭段和盘锦段部分断面由劣类水质改善至类，大凌河锦州段由类水质改善至类。辽宁省总磷劣类水体主要分布在辽河上游河段、浑河中下游河段及部分支流和入海河流。2015 年，辽宁省总磷污染范围明显缩减，尽管 2014 年和 2015 年遭受了严重旱灾，全省 80%以上断面仍达到国家地表水类水质标准，辽河干流全程达到类水质标准，仅少数支流和浑河中游河段仍为劣类水质。总磷污染主要集中于浑太水系中下游，特别是浑河沈阳段支流白塔堡河、太子河鞍山段支流运粮河和五道河，总磷浓度仍高达 11，10，21 mg/L，分别超类水质标准 45，40，95 倍。截至 2020 年，辽宁省总磷污染全面改善，所有断面全部达到国家地表水类及优于类水质标准，辽河干流全程达到类水质标准。与 2010 年相比，辽河、浑河、太子河、大辽河、大凌河、小凌河总磷浓度分别下降 520，634，542，290，778和 784。值得关注的是，鸭绿江总磷浓度虽然符合类水质标准，但近年来浓度有所上升。33经济发展与总磷浓度的关联分析由于总氮数据过少，不能与经济发展指标形成较好的拟合，故只选取总磷数据进行相关分析。利用EKC 模型来描述经济增长与环境污染水平之间关系11-14，选取近 20 年辽宁省社会经济发展相关数据与河流总磷年均值，利用 SPSS 构建辽宁省环境 EKC模型，分析社会经济发展与总磷浓度之间关系。经济指标选取人均 GDP15，地表水环境质量选取总磷年均浓度，进行单位根检验，结果显示，选取的数据均平稳，可以构造回归模型。采用 EKC 模型的简化式，即 YabXcX2dX3三次曲线进行回归模拟，其中，Y 为总磷年均浓度，X 为人均 GDP。运用统计分析软件 SPSS 210 对上述模型进行模拟，拟合曲线相关系数 R2080，回归曲线较好（见图 3）。由图 3 的曲线形状看，辽宁省人均 GDP 与河流总磷浓度不符合 EKC 模型的倒“U”型曲线特征，总磷年均浓度持续下降，2019 年开始呈现略微上升趋势。79图 320012020 年全省人均 GDP 与总磷浓度曲线对总磷年均浓度与人均 GDP 进行斯皮尔曼相关分析，结果显示，二者相关性显著，呈明显负相关，见表 1。表 1总磷浓度与人均 GDP 相关性分析结果注：*表示在 001 级别（双尾）相关性显著。34综合分析与讨论目前，辽宁省总氮污染主要来源于点源污染和面源污染，防治形势仍十分严峻。采取关停造纸厂和建设污水厂等短期效果明显的治理手段只能在一定程度上减轻总氮点源污染，且污水厂目前处理工艺对氨氮的削减十分明显，但对硝氮的处理并不理想，导致污水厂排水总氮污染并没有得到很好地控制16。面源排放是水体总氮污染的主要来源，氮素往往通过大气沉降、土壤淋溶和地表径流等多种途径进入水体17-18，辽宁省目前各主要河流源头总氮背景值均较高，说明面源污染是总氮污染的重要原因之一。一是农业生产过程中土地利用不合理，超坡度开荒种地，过量施用化肥和农药造成浑河上游源头水质总氮浓度较高；二是由于畜禽养殖过程中排放的动物粪尿19；三是由于居民生活垃圾无组织堆弃。辽宁省总磷污染的全面减轻主要得益于 20 年来的流域治理20。2008 年以来，辽宁省不断创新河流管理体制，加大治理力度与资金投入，先后实施了以造纸企业为重点的工业源整治、以污水厂建设为重点的生活源整治、以功能恢复为重点的生态整治等多项工程。2016 年，全面实施 水污染防治行动计划，坚决打好水污染防治攻坚战。2019 年，出台了辽河流域综合治理总体工作方案，列出了 28 条重污染支流河清单，并对水质目标提出明确要求，坚决打好重污染河流治理攻坚战。尽管多年来辽宁省一直以化学需氧量和氨氮作为主要控制指标，但在治理过程中对总磷的削减亦十分明显。通过对经济发展与总磷浓度的关联分析得出，辽宁省通过开展强化工业点源监管、城镇污水厂建设及提质增效、农业农村污染治理、港口船舶污染防治、入河排污口排查整治、推进河湖生态修复保护等重点工作6，在人均 GDP 增加的情况下，地表水中总磷浓度不断下降，全省水环境质量明显改善。4结论与建议（1）城市排污对辽宁省地表河流总磷、总氮污染的影响最大，如流经密集城市区的典型河流浑河和小凌河多年来总磷、总氮浓度始终比辽宁省内其他主要河流相对严重；其次为面源污染，如辽河，尽管辽河干流废水排放量仅占太子河的一半，但受农业面源输入影响，其总磷污染程度明显重于太子河。（2）要保障与提高全省已建 160 座城市、城镇污水处理厂的运行与除磷、除氮处理能力，特别是要进一步加强对城镇污水处理厂的运行与监管21，对太子河鞍山段和浑河沈阳段总磷污染较重支流周边已建污水厂进行扩容与提标改造。（3）重点加强面源治理，推广有机肥的使用，尽量降低过度施肥、养殖废弃物处理不当或未处理直接排放、农村污水直接排放所造成的总磷、总氮污染比重22。参考文献1 Sigua G C，Steward J S，Tweedale W A WaterQualityMonitoring and Biological Integrity Assessment in the IndianRiver Lagoon，Florida：Status，Trends，and Loadings（19881994）J Environmental Management，2000，25（2）：1992 王赫辽宁省辽河流域水质污染特征分析 J 环境科学与管理，2016，41（5）：51-543 张庆乐，王浩，张丽青，等饮水中硝态氮污染对人体健康的影响 J 地下水，2008（1）：57-59，64人均 GDP/元R2=0.904总磷浓度/（mg L-1）0.400.300.200.100.00指标斯皮尔曼相关系数显著性（双尾）总磷-0.896*0.000（下转 84 页）80环境保护与循环经济10 000.0020 000.0030 000.0040 000.0050 000.0060 000.0070 000.004 Temkin A，Evans S，Manidis T，et al Exposurebasedassessmentandeconomicvaluationofadversebirthoutcomes and cancer risk due to nitrate in United StatesdrinkingwaterJ EnvironmentalResearch，2019，176：1084425 张颖琦，沈俊毅，徐映如，等亚硝酸盐对人体的危害及检测方法的进展 J 职业与健康，2015（6）：851-8556 辽宁省生态环境厅 2020 年辽宁省生态环境状况公报R 2021.7 罗先香，张珊珊，敦萌辽河口湿地碳、氮、磷空间分布及季节动态特征 J 中国海洋大学学报（自然科学版），2010，40（12）：971048 王琼，卢聪，范志平，等辽河流域太子河流域 N、P 和叶绿素 a 浓度空间分布及富营养化 J 湖泊科学，2017，29（2）：297-3079 秦杨，刘洋，朱娜，等东辽河重点河段氮磷污染特征分析J 科技创新与应用，2021（9）：93-9610 中国河湖大典 编纂委员会中国河湖大典：黑龙江、辽河卷 M 北京：中国水利水电出版社，201411 李向民，张晓芬辽宁省环境库兹涅茨曲线研究 J 辽宁工业大学学报（自然科学版），2010，30（4）：275-28012 尚继霞基于时序数据的辽宁省环境库兹涅茨曲线实证分析 J 统计与咨询，2013（4）：24-2613 刘小琴辽宁环境质量与经济增长关系的实证研究 D 大连：大连理工大学，200614 陈晶，朱天星，杨凌辽宁省环境库兹涅茨曲线的实证研究 J 沈阳工业大学学报（社会科学版），2009（3）：213-215，25815 辽宁省统计局辽宁统计年鉴 2020 M 北京：中国统计出版社，202016 谢柏希，曾思春某城镇污水厂 A2/O 工艺氨氮去除率高而总氮去除率低的探讨 J 资源节约与环保，2015（5）：34-3517 邢光熹遏制氮磷：农村污染源是难点 J 环境保护，2007（14）：49-5018 Irene Z，Zessner M，Hein TEffects of climate change onnitrate loads in a large river：the Austrian Danube asexample J Hydrological Processes，2008，22（7）：1022103619 Yang X，Liu Q，Fu G，et alSpatiotemporal patterns andsource attribution of nitrogen load in a river basin withcomplex pollution sources J Water Research，2016，94：18719920 韩伟辽河流域辽宁段水污染特征与水资源保护对策研究 J 水利技术监督，2019（2）：98-10121 尚彦辰，郭秋岑，曹雨，等辽河流域水环境累积风险评估及关键指标筛选研究 J 华北水利水电大学学报（自然科学版），2021，42（1）：31-3922 文宇立，叶维丽，刘晨峰，等“十三五”总氮、总磷总量控制政策建议 J 环境污染与防治，2015，37（3）：27-30（上接 80 页）影响的新方法 J 中国环境监测，2014，30（3）：31362 赵旭辉，童欢欢，董昊，等20152018 年春节期间合肥烟花爆竹燃放对空气质量的影响 J 中国环境监测，2020，36（2）：1261373 周国治，唐岳晖，潘海婷20152019 年春节期间烟花燃放对长沙空气质量的影响分析 J 四川环境，2020，39（3）：67734 吕文丽，张凯，曹晴，等烟花爆竹燃放对大气污染物及PM25组分影响 J 中国环境科学，2020，40（8）：330333115 刘丽，唐晓婵，马东卓，等20132019 年青岛市空气质量变化特征分析 J 中国环境监测，2020，36（6）：66716 安可珍，王斌之潍坊市环境空气质量现状及变化特征研究 J 环境保护科学，2019，45（4）：1001057 邵建，杨苑媛，张晓茹，等基于新国标的宁夏城市空气质量分布特征分析 J 宁夏大学学报（自然科学版），2022，43（1）：90978 胡丙鑫，段菁春，刘世杰，等2018 年春节期间京津冀及周边地区烟花禁放效果评估 J 环境科学研究，2019，32（2）：2032119 郑亦佳，李楠，廖程浩，等2019 年春节期间广东省烟花爆竹燃放管控成效评估研究 J 环境科学与管理，2019，44（11）：929784环境保护与循环经济